Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературы 8
1.1. Существующие способы прогнозирования структуры... 11
1.2. Факторы, влияющие на структурообразование 23
1.3. Нестационарное тепловое состояние изделия в процессе закалки 37
1.3.1. Аналитическое описание температурного состояния изделия 37
1.3.2. Численный метод решения тепловой задачи 40
Глава 2. Расчет температурного состояния изделия 44
2.1. Численные модели термической обработки деталей 45
2.2. Конечные элементы, применяемые при расчетах температурного поля изделий 46
2.3. Примеры расчетов температурных полей для деталей различной геометрической формы 54
Глава 3. Разработка датчика и способа определения температурной зависимости коэффициента теплоотдачи 60
3.1. Датчик для определения температурной зависимости коэффициента теплоотдачи 61
3.2. Способ определения температурной зависимости коэффициента теплоотдачи 69
Глава 4. Методика прогнозирования прокаливаемости, распределения структуры и твердости по объему деталей после закалки и последующего отпуска 76
4.1. Методика прогнозирования структурных составляющих и твердости по объему деталей, подвергаемых закалке и последующему отпуску 76
4.2. Методика компьютерного прогнозирования структуры и твердости 81
4.3. Проверка адекватности методики прогнозирования структуры и твердости по объему изделия при закалке и последующем отпуске 84
Глава 5. Система мониторинга марки стали и закалочной среды на стадии проектирования изделия 103
5.1. Базы данных свойств материала и охлаждающих сред, необходимых для осуществления мониторинга 104
5.2. Методика мониторинга 111
5.3. Мониторинг термической обработки кронштейна 118
Общие выводы 123
Литература 126
Приложение
- Факторы, влияющие на структурообразование
- Конечные элементы, применяемые при расчетах температурного поля изделий
- Способ определения температурной зависимости коэффициента теплоотдачи
- Методика компьютерного прогнозирования структуры и твердости
Введение к работе
Актуальность темы. Повышение качества продукции машиностроения неразрывно связано с рациональным выбором материала деталей и совершенствованием процесса их термической обработки. Основным видом упрочняющей термической обработки деталей является закалка и последующий отпуск.
При закалке сталей, за редким исключением - сквозной прокаливаемости, и при последующем отпуске по объему изделия формируются области с различными структурами и, следовательно, свойствами. В целом их совокупность определяет конструкционную прочность, включающую критерии прочности, надежности и долговечности.
Однако на практике при выборе материала деталей ориентируются лишь на его прокаливаемость и свойства одного или, в лучшем случае, двух структурных состояний. Для компенсации несовершенств выбора материала вводятся высокие значения коэффициентов запаса прочности и допускаются в широких пределах колебания величин прокаливаемости. Объясняется это тем, что учет реального структурного состояния изделий для оценки его свойств затруднен, так как металлографические методы анализа структуры требуют разрушения деталей. Использование с этой целью метода торцевой закалки образцов так же не решает задачи, так как позволяет рассчитывать только глубину закаленного слоя для простейших по форме изделий.
В широком плане актуальная проблема выбора материала изделий, условий их закалки и контроля качества может решаться путем создания и использования методики прогнозирования структурообразования в объеме деталей, учитывающей их форму и размеры, свойства партии поставки материала и характеристики охлаждающей среды в момент закалки. Следует отметить, что стадия закалки является основным объектом прогнозирования. В работе также предложена методика определения структурных превращений и изменения свойств при последующем отпуске деталей.
Цель работы: создание методических основ и программного комплекса, позволяющих прогнозировать распределение структуры и свойств по объему изделия при термической обработке, на основе моделирования тепловых процессов, обеспечивающих оптимизацию режимов закалки и последующего отпуска, выбор материала и достижение гарантированного качества.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать методику расчета кинетики изменения температуры в объеме изделия при закалке, учитывающую его размеры и форму, а так же охлаждающую способность закалочной среды.
Для оценки охлаждающей способности последней в условиях производства разработать датчик и, применительно к нему, способ расчета теплофизиче-ских характеристик закалочной среды.
Предложить и научно обосновать гипотезу о возможности использования результатов торцевой закалки образцов для прогноза структурообразования и изменения твердости по объему различных деталей, базирующуюся на идентификации кривых охлаждения в различных точках торцевого образца и детали.
Разработать методику и соответствующее программное обеспечение, позволяющее для конкретных партий материала, закалочной среды, формы и размеров изделий определять закаливаемость и прокаливаемость, а так же структуру и свойства по их объему.
Предложить методику оценки структуры и твердости по объему изделий после отпуска.
Разработать систему мониторинга и его программное обеспечение, позволяющее осуществлять выбор материала и условий термической обработки на стадии проектирования деталей.
Методы исследования. Численное моделирование процессов закалки проведено методом конечных элементов с использованием соответствующих математических моделей в программном комплексе ANSYS (предоставленном МГТУ им. Н.Э. Баумана московским представительством фирмы CAD-FEM GmbH).
В качестве критерия, используемого для оценки механических свойств по сечению изделий, применялись значения твердости, которые измерялись по Ро-квеллу в соответствии с ГОСТ 9013-59. Измерения твердости применялись так же для определения прокаливаемости, наряду с металлографическим анализом, для идентификации структур по объему изделий. Торцевая закалка образцов осуществлялась в соответствии с ГОСТ 5657-69.
Научную новизну имеют следующие результаты:
Конструкция датчика для определения температурной зависимости коэффициента теплоотдачи при закалке и способ его расчета.
Решение тепловой задачи с целью определения кинетики охлаждения любых точек объема изделия при закалке, учитывающей физические свойства материала, геометрию и размеры деталей, свойства закалочной среды.
Решение задачи идентификации кривых охлаждения в любой точке изделия кривыми охлаждения образца при торцевой закалке.
Методика прогнозирования структуры и твердости по объему изделий при закалке, базирующаяся на решении тепловой задачи для изделий и определении адекватного изменения температуры и, следовательно, структуры и свойств образца при торцевой закалке.
Методика прогноза структуры и твердости стали по объему изделий в зависимости от температуры отпуска.
Система мониторинга для выбора материала деталей на стадии ее проектирования, включающая алгоритмические и программные средства, а также пополняемые базы данных.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Использование предложенной методики прогнозирования структуры и свойств по объему деталей после закалки в условиях производства позволяет корректировать режимы закалки для различных партий материала, обеспечивает высокое качество и повторяемость свойств изделия. Применение системы мониторинга ускоряет процессы выбора марки стали на стадии проектирования деталей и разработки технологии ее термической обработки.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на V конференции молодых специалистов авиационных, ракетно-космических и металлургических организаций России «Новые материалы и технологии в авиационной и ракетно-космической технике» в г. Королеве 16-18 октября 2006 г. и на научных семинарах кафедры «Материаловедение» МГТУ им. Н. Э. Баумана (2004-2006 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 3 научные работы, из них в журналах по перечню ВАК - 3.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов по работе, 1 приложения, списка литературы. Она содержит: 145 страниц машинописного текста, включая 70 рисунков, 16 таблиц и 49 наименований использованных литературных источников.
Автор защищает:
Математическую модель изменения теплового поля по объему изделий произвольной формы, учитывающую теплофизические свойства материала, нестационарный характер взаимодействия поверхности изделия с охлаждающей средой, температурную зависимость охлаждающей способности среды.
Способ идентификации кривых охлаждения в любой точке объема детали через определение их соответствия кривым охлаждения на образце для торцевой закалки.
Новую конструкцию датчика и способ определения температурной зависимости коэффициента теплоотдачи.
Методику прогнозирования образования и распределения структур и твердости по объему деталей после закалки и отпуска.
Систему мониторинга, позволяющую осуществлять выбор материала изделия, закалочной среды и режимов термической обработки на стадиях проектирования деталей и разработки технологии термической обработки.
Автор выражает глубокую признательность к.т.н., доценту Третьякову В.И., д.т.н., профессору Крапошину B.C., д.т.н., профессору Герасимову С.А. и к.т.н., доценту Пучкову Ю.А. за помощь при подготовке настоящей работы.
Факторы, влияющие на структурообразование
При закалке существует ряд факторов, влияющих на структуру и свойства изделия: химический состав, размер зерна аустенита, температура нагрева при закалке, размеры и форма детали, скорости ее нагрева и охлаждения и т.д. Наибольшее влияние оказывают параметры режима охлаждения в различных температурных областях. Попытки обобщить данные о влиянии скорости охлаждения на структуру велись уже давно [4-7]. В первых работах по исследованию закономерностей распада переохлажденного аустенита это превращение изучалось в процессе непрерывного охлаждения с различными скоростями. Получаемые результаты обобщались в виде сводных диаграмм влияния скорости охлаждения на температуры начала, развития и окончания превращения, которые известные по работам А. Портвена, Г. Френча, Ф. Ве-фера, С.С. Штейнберга и др. исследователей.
В зависимости от величины переохлаждения различают три температурные области превращения [6]: перлитную, промежуточную и мартенситную. Если превращения в перлитной и промежуточной областях сопровождаются одновременно диффузией углерода, то в мартенситной области превращение протекает бездиффузионным путем за счет одних только сдвигов в кристаллической решетке. Для образования мартенсита определяющей является критическая скорость закалки, которая зависит от содержания углерода и легирующих элементов, а также от температуры аустенизации. Фактическая скорость охлаждения изделий зависит от: теплоемкости и теплопроводности стали; охлаждающей способности закалочной среды; размеров, формы и состояния поверхности изделия.
Теплоемкость и теплопроводность стали определяется ее химическим составом и практически не могут быть изменены. Поэтому наибольшее значение при закалке имеет выбор надлежащей закалочной среды.
В настоящее время известно большое количество закалочных сред, которые делятся на: газовые, жидкие, твердые тела, взвеси твердых частиц в газе или жидкости, жидкостно-газовые смеси [19, 20].
Техническая вода имеет высокую скорость охлаждения и применяется для закалки углеродистых сталей, имеющих малую устойчивость переохлажденного аустенита. Охлаждающая способность воды зависит в основном от температуры, интенсивности циркуляции и наличия загрязняющих примесей.
Повышение температуры воды вызывает снижение скорости охлаждения и уменьшение термических напряжений, однако структурные напряжения при этом возрастают. Циркуляция увеличивает интенсивность охлаждения в воде. Сильное влияние циркуляции не позволяет применять циркулирующие водные среды для деталей сложной формы, поскольку вблизи глухих отверстий и проточек интенсивность охлаждения ниже, что приводит к неравномерности свойств на разных участках детали. Керамические частицы, сажа, жиры, мыла, желатины, а также газы снижают скорость охлаждения, а соли, щелочи, кислоты ее повышают.
Основной отличительный признак растворов солей, щелочей и полимеров - возможность в широких пределах регулировать их охлаждающую способность при изменении концентрации основного компонента.
Минеральные масла обладают невысокой скоростью охлаждения в мар-тенситной области и позволяют получать оптимальное сочетание твердости и закалочных деформаций при обработке легированных и инструментальных сталей.
Экспериментальные исследования возможности прогнозирования струк-турообразования при термической обработке путем использования термокинетических диаграмм и диаграмм изотермического превращения [10], а также другой справочной информации о заданной марке стали (о критическом диаметре, критической скорости охлаждения) [13] однозначно указывают на невозможность качественного прогноза. Как показали исследования, это связано с влиянием колебаний химического состава сталей в пределах разброса, допускаемого ГОСТ. Проявления нестабильности прогноза обнаружены на углеродистых сталях из-за различий в содержании примесей, в особенности марганца и кремния. Особенно сильно проявление нестабильности в легированных сталях.
Легирующие элементы значительно влияют на критические точки в сталях. В частности, они могут интенсивно смещать точку Асі в стали.
Как известно [6, 8, 14], критическая температура Асі в углеродистой стали отвечает превращению эвтектоидной смеси перлита oc+Fe3C в аусте-нит путём фазового перехода а+у, диссоциации карбида и растворения углерода в у-железе. С одной стороны, легирующие элементы изменяют температуру а+у - превращения для феррита, входящего в состав эвтек-тоида (перлита), и, с другой стороны, влияют на температуру диссоциации эвтектоидных карбидов и последующего растворения углерода и легирующих элементов в у- железе.
Как правило, карбидообразующие элементы повышают температуру диссоциации карбидов, и если при этом они также повышают температуру а+у - превращения, то влияние их на точку Асі особенно сильно.
Конечные элементы, применяемые при расчетах температурного поля изделий
Способ определения температурной зависимости коэффициента теплоотдачи
В тех случаях, когда необходимо определить температурную зависимость коэффициента теплоотдачи, вся кривая охлаждения разбивается на конечное число интервалов произвольной длины для достижения достаточной точности оценки изменчивости коэффициента теплоотдачи при изменении температуры. Интегрирование в соответствии с формулой (3.15) производится для каждого интервала с расчетом коэффициента теплоотдачи по формуле: где tj и tj+i - граничные температуры і-ого интервала. Для экспериментального определения коэффициента теплоотдачи использовался датчик из однофазного сплава Х20Н80 (нихром). Теплофизиче-ские свойства материала приведены в табл. 9. Геометрические параметры датчика определялись в результате теплового расчета в программе Elcut таким образом, чтобы распределение температуры вблизи центра имело платообразный характер, а первая и вторая производ ная, отношение стремились к нулю (рис. 3.7-3.10). При полученных размерах датчика можно считать, что центр диска при охлаждении будет вести себя как теплотехнически тонкое тело: Предлагаемая форма датчика позволит избежать такие недостатки метода серебряного шарика как: 1) минимальная площадь поверхности при максимальном объеме тела; 2) стремление к теплотехнической тонкости приводит к минимизации поверхности, что увеличивает погрешность определения коэффициента теплоотдачи; 3) стремление к теплотехнической тонкости приводит к тому, что кривые охлаждения получаются с очень высокими скоростями охлаждения. Сплав Х20Н80 обладает высокой коррозионной стойкостью и отсутствием фазовых превращений при рабочих температурах. В центральную часть датчика зачеканена термопара хромель-алюмель (ТХА). Принцип работы установки для регистрации кривых охлаждения заключается в следующем. Датчик нагревается в лабораторной электропечи (СШОЛ 11,6/12-МЗ) до 850С в течение 30 минут, затем переносится в закалочный бак емкостью 20 литров с исследуемой закалочной средой. Кривые охлаждения регистрируются с помощью компьютера, к которому через устройство сопряжения подключены провода термопары датчика. Скорость охлаждения определяется путем дифференцирования кривой охлаждения по формуле: где dt =( - ti+i), і = 1, 2 ... (n-1); n - число показаний; сіт = ІІ+І - ТІ - интервал времени, заданный при регистрации показаний. Коэффициент теплоотдачи определялся по формуле: было рассчитано среднее значение коэффициента теплоотдачи в интервале температур от 850 до 20 С. Значение коэффициента теплоотдачи составило 6642 Вт/м2К. Проведенный эксперимент определения температурной зависимости коэффициента теплоотдачи при охлаждении в воде показал, что среднее значение коэффициента теплоотдачи в интервале температур от 850 до 20 С находится в согласии с данными литературы [42]. Выводы Разработанные и предложенные датчик и способ определения температурной зависимости коэффициента теплоотдачи, позволяют качественно ставить и решать задачи прогнозирования структурообразования при закалке деталей машин. Особенности датчика: 1. Круглая пластина определенного размера с зачеканенной в центре термопарой позволяет получать кривую охлаждения без влияния интенсивного теплоотвода с торцевой стороны; 2. Материал датчика — нихром — не имеет фазовых превращений в интервале закалочных температур конструкционных и инструментальных сталей, что позволяет исключить влияние состояния материала датчика в процессе охлаждения на кривую охлаждения, характеризующую закалочную способность охлаждающей среды; 3. Коррозионная стойкость материала датчика и жесткость его конструкции позволяют осуществлять многократный и оперативный контроль охлаждающей среды в промышленных условиях.
LINK33 - одноосный элемент, предназначенный для использования в конечно-элементной модели передачи тепла теплопроводностью. Аналогичен элементу LINK 32, но применяется для трехмерных задач.
LINK34 - одноосный элемент, определенный двумя узлами. Используется в конечно-элементной модели передачи тепла от одной точки к другой при помощи конвекции. У элемента в каждом узле есть единственная степень свободы - температура. Элемент применим к двухмерному (плоскому или осесимметричному) и трехмерному, как к установившемуся, так и к переходному тепловому анализу. Поддерживает определение величины конвекции, зависящей от температуры в виде: q = a-A-(tj — tj), где q - тепловой поток; a — коэффициент теплоотдачи; А — площадь поверхности; Е - эмпирический терм конвекции; tj, tj — температуры в і-ом и j-ом узле элемента. Третий тип - твердотельный - включает пять двухмерных и три трехмерных элемента: PLANE35, PLANE55, PLANE75, PLANE77, PLANE78, SOLID70, SOLID87 и SOLID90 соответственно. PLANE35 - шестиузловой треугольный элемент (рис.2.3). Треугольная форма делает элемент пригодным для создания нерегулярных конечно-элементных моделей (таких, которые создаются в различных программных комплексах CAD/CAM-класса). Этот элемент имеет в каждом узле одну степень свободы - температуру. PLANE35 применяется для расчета двухмерных, стационарных и нестационарных тепловых полей. Предназначен для задач, в которых тепловые нагрузки могут быть определены при помощи конвекции, плотности теплового потока (но не обоих сразу) и излучения. Источник тепла может быть определен в узлах элемента. Если источник тепла определен только в узле і, то это значение соответствует всем остальным узлам, т.е всему телу элемента. Если определены три источника тепла (узлы i, j и к), то значения в узлах, лежащих на серединах сторон (1, тик) вычисляются как среднее арифметическое двух соседних узлов. Подобное условие относится и ко всем последующим конечным элементам. PLANE55 — может использоваться как плоский элемент или как осесим-метричный кольцевой элемент с двухмерной теплопроводностью (рис.2.4). У элемента есть четыре узла с единственной степенью свободы — температурой, в каждом узле. Элемент применим к двухмерному тепловому анализу. PLANE75 - используется как осесимметричный кольцевой элемент с трехмерной теплопроводностью. Каждый из четырех узлов элемента имеет единственную степень свободы - температуру. Данный элемент - обобщение осесимметричной версии PLANE55, в котором имеется возможность прикладывать неосесимметричную нагрузку. Элемент применим к двухмерному, осесимметричному, установившемуся или переходному тепловому анализу. Подобным этому элементу, но с возможностью определения дополнительных узлов на серединах сторон, является элемент PLANE78. PLANE77 - восьмиузельная версия двухмерного, четырехузельного элемента PLANE55. В каждом узле элемента есть одна степень свободы - температура. Элементы с восьмью узлами имеют совместимые температурные формы и хорошо подходят для изогнутых границ модели. Тепловой элемент с восьмью узлами применим к двухмерному, установившемуся или переходному тепловому анализу. Элемент позволяет задавать тепловые нагрузки в виде конвекции, плотности теплового потока или излучения. PLANE78 - используется как осесимметричный кольцевой элемент с трехмерной теплопроводностью. У элемента в каждом узле есть одна степень свободы - температура. PLANE78 - обобщение элемента PLANE77, который позволяет прикладывать неосесимметричную нагрузку. Элемент применим к двухмерному и осесимметричному тепловому анализу. SOLID70 - шестигранник (параллелепипед) с трехмерной теплопроводностью. SOLID70 может иметь три вырожденных случая: призма, тетраэдр и пирамида. У элемента есть восемь узлов с единственной степенью свободы -температурой. Элемент применим к трехмерному, установившемуся или переходному тепловому анализу. Позволяет задавать тепловые нагрузки в виде конвекции, плотности теплового потока или излучения. SOLID87 - хорошо подходит для создания нерегулярных конечно-элементных моделей (таких, какие могут быть созданы в различных системах CAD/CAM-класса). Представляет собой четырехгранник с 10 узлами (4 в вершинах элемента и 6 на серединах сторон). У элемента в каждом узле есть одна степень свободы - температура. Элемент применим к трехмерному, установившемуся или переходному тепловому анализу. Позволяет задавать тепловые нагрузки в виде конвекции, плотности теплового потока и излучения. SOLID90 — более сложная версия трехмерного восьмиузлового теплового элемента SOLID70. У элемента есть 20 узлов (8 на вершинах и 12 на серединах сторон) с единственной степенью свободы в каждом узле - температурой. Элементы с 20 узлами имеют совместимые температурные формы и хорошо подходят для изогнутых границ модели (для моделей с большой кривизной). Тепловой элемент с 20 узлами применим к трехмерному, установившемуся или переходному тепловому анализу.
К четвертой группе — оболочечной — относятся 3 элемента: SHELL57, SHELL131HSHELL132.
Методика компьютерного прогнозирования структуры и твердости
Для реализации методики прогнозирования разработана программа (рис. 4.3), выполняющая функции прогнозирования распределения структуры и твердости по объему изделия.
В качестве исходных данных в программу вводится температура минимальной устойчивости аустенита выбранной стали. Эта температура незначительно зависит от колебания химического состава, допускаемого ГОСТ, в различных поставках материала одной марки, и поэтому может быть определена по соответствующей термокинетической диаграмме распада переохлажденного аустенита. Ввод в программу экспериментальных и расчетных кривых охлаждения торцевого образца и детали осуществляется при помощи кнопок «Ввод торцевой пробы» и «Ввод кривой охлаждения» соответственно. Для прогнозирования выполняется команда «Определение твердости».
В результате, для той точки детали, для которой была введена кривая охлаждения, рассчитываются следующие значения: HRCcp - среднее значение твердости; тип структуры; значение целевой функции, показывающее степень расхождения введенных в программу кривых охлаждения для торцевого образца и детали; время охлаждения до температуры минимальной устойчивости аустенита; средняя скорость охлаждения в температурном интервале закалки; четыре параметра кривой охлаждения детали; среднее значение точности аппроксимации кривой охлаждения детали.
Дополнительно в программу выводятся: расстояние точки от водоохлаж-даемого торца образца «Активная точка торцевой пробы» и точки детали «№ точки кривой охлаждения» из соответствующей базы данных (рис. 4.4).
При идентификации кривых охлаждения на детали, программа ставит им в соответствие значение твердости на торцевой пробе и заносит его в базу данных. Все процедуры автоматизированы с помощью редактора Microsoft Visual Basic for Application [44, 45].
Программа позволяет определять распределение твердости и структурных составляющих по объему изделия, скорость и время охлаждения до температуры минимальной устойчивости аустенита, а также среднее значение точности аппроксимации расчетной кривой охлаждения.
Таким образом, методика прогноза и разработанное программное обеспечение позволяют осуществлять в производственных условиях: - контроль качества термической обработки, особенно массивных, сложных и дорогостоящих деталей, поскольку способ, в отличие от традиционного, не требует разрушения последних; - входной контроль поступающих партий материала с целью прогнозирования возможности его использования для обеспечения требуемого качества и исключения брака при термической обработке.
Адекватность результатов расчетов и экспериментальных данных оценивалась по следующим показателям: 1. Влияние размеров образцов на глубину закаленного слоя. В качестве образцов были использованы цилиндры, диаметры которых на 10%, 20% и 30% отличающются от dKp. В данном случае d - диаметр образца, при котором в центре, после проведения закалки в данной охлаждающей среде, может образоваться мартенситная или полумартенситная структура. 2. Влияние скорости охлаждения образцов на глубину закаленного слоя. Скорость охлаждения напрямую зависит от значения коэффициента теплоотдачи (V 3. Влияние содержания химических элементов на прокаливаемость. Исследования проводились путем сравнения глубины закаленного слоя на образцах с одинаковой геометрией, но изготовленных из различных марок сталей. 4. Влияние формы образцов на распределение структурных составляющих и значений твердости по их объему. Исследования проводились на экспериментальных образцах (разъемных цилиндрах) и изделии сложной формы Образцы.
Для проверки методики были использованы образцы простой формы и конечных размеров. При этом длина образцов должна быть достаточно большой, чтобы не было существенного влияния эффектов от торцов, а диаметр таким, чтобы возможно было получить разные структурные состояния по сечению. Поэтому был разработан разборный цилиндрический образец, представленный на рис. 4.5. Такой образец можно применять, поскольку тепловой поток идет по нормали к поверхности, и не будет испытывать тепловое сопротивление в плоскости соединения.
